夏 燭，車張濤，李曙海（.華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州004；.中國電信股份有限公司新疆無線通信局，新疆烏魯木齊80000；.中國電信浙江分公司，浙江杭州004）

1 概述

對(duì)中國電信LTE 高鐵特殊場(chǎng)景的組網(wǎng)方式進(jìn)行了研究，根據(jù)1.8與2.1 GHz不同頻段覆蓋及疊加時(shí)的覆蓋性能對(duì)比結(jié)果，得出高鐵專網(wǎng)覆蓋時(shí)城區(qū)段落采用疊加組網(wǎng)的覆蓋方式的結(jié)論，并考慮高鐵的專網(wǎng)用戶和周邊普通用戶2 個(gè)用戶群的體驗(yàn)感知及網(wǎng)絡(luò)KPI指標(biāo)，針對(duì)疊加組網(wǎng)區(qū)域的參數(shù)進(jìn)行專有設(shè)置，包括重選、切換等方面；同時(shí)在高鐵場(chǎng)景中，由于列車移動(dòng)速度快，高鐵用戶的頻繁切換會(huì)對(duì)下行速率等存在嚴(yán)重影響，選擇在疊加頻段2.1 GHz 專網(wǎng)組建超級(jí)小區(qū)方案，不僅可減少高鐵用戶頻繁切換，同時(shí)由于縮減了小區(qū)間切換帶，還可以增加高鐵沿線站點(diǎn)的站間距。

本文主要從實(shí)際操作測(cè)評(píng)結(jié)果，結(jié)合理論推導(dǎo)對(duì)高鐵這種特殊場(chǎng)景在不同頻段組網(wǎng)方式下的性能進(jìn)行了深入探討。

2 高鐵1.8與2.1 G H z異頻覆蓋對(duì)比

2.1 測(cè)試背景

大網(wǎng)宏站普遍采用1.8 GHz 組網(wǎng)，采用2.1 GHz 異頻覆蓋可以有效隔離大網(wǎng)干擾。評(píng)估2.1 GHz（20 MHz 帶寬100 個(gè)RB）、2.1 GHz（15 MHz 帶寬75 個(gè)RB）頻段與1.8 GHz（15 MHz 帶寬75 個(gè)RB）頻段在覆蓋方面的優(yōu)劣，對(duì)高鐵覆蓋優(yōu)化進(jìn)行了實(shí)踐性的探討。

2.2 站點(diǎn)與測(cè)試路線選取

選取余姚段9個(gè)站點(diǎn)，最初該路段覆蓋頻段為1.8 GHz，路段總長(zhǎng)11.8 km，在平均車速240 km/h 情況下完成測(cè)試。隨后將該路段9個(gè)站替換成2.1 GHz頻段，分別測(cè)試了20 MHz 帶寬和15 MHz 帶寬，通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析，評(píng)估不同頻段覆蓋路段的指標(biāo)差異。

2.3 不同頻點(diǎn)覆蓋主要路測(cè)指標(biāo)對(duì)比

測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 高鐵1.8與2.1 GHz異頻覆蓋指標(biāo)對(duì)比

從表1可以看出：

a）RSRP：由于2.1 GHz 頻段比1.8 GHz 高，高鐵采用2.1 GHz 覆蓋時(shí)，RSRP 相比1.8 GHz 覆蓋時(shí)略差；由于RRU 功率限制，2.1 GHz 部署20 MHz 帶寬時(shí)，RSRP相比15 MHz帶寬略低。

b）SINR：高鐵采用2.1 GHz 覆蓋時(shí)，SINR 相比1.8 GHz 覆蓋時(shí)高22%；2.1 GHz 部署20 MHz 和15 MHz 帶寬時(shí)SINR值差異不大。

c）PDCP 層下行吞吐率：高鐵采用2.1 GHz 覆蓋時(shí)，PDCP層下行吞吐率相比1.8 GHz覆蓋時(shí)高28%；由于頻率帶寬原因，2.1 GHz 部署20 MHz 時(shí)吞吐率比15 MHz帶寬時(shí)明顯提高。

通過同一路段不同頻段站點(diǎn)替換，分析判斷在同等覆蓋條件下，由于頻段越高損耗越大，干擾能力越低，高鐵沿線在1.8 GHz 覆蓋下比2.1 GHz 覆蓋路段的干擾增強(qiáng)，導(dǎo)致同等覆蓋路段的SINR值、PDCP層下行速率的差異。

3 高鐵1.8與2.1 G H z疊加組網(wǎng)覆蓋對(duì)比

3.1 測(cè)試背景

結(jié)合1.8 與2.1 GHz 不同頻段覆蓋高鐵場(chǎng)景測(cè)試對(duì)比結(jié)果，選取城區(qū)段采用疊加覆蓋方式進(jìn)行覆蓋性能對(duì)比測(cè)試。主要從1.8與2.1 GHz疊加覆蓋、1.8 GHz單獨(dú)覆蓋及2.1 GHz 單獨(dú)覆蓋等方式進(jìn)行不同層面覆蓋對(duì)比。1.8 與2.1 GHz 均在15 MHz 帶寬前提條件下進(jìn)行。

3.2 站點(diǎn)及測(cè)試路線選取

選取杭甬高鐵寧波城區(qū)段總長(zhǎng)11 km，沿線LTE站點(diǎn)共11 個(gè)；原先11 個(gè)站點(diǎn)頻段為1.8 GHz，后疊加2.1 GHz 設(shè)備（均為15 MHz 帶寬）；測(cè)試時(shí)高鐵平均車速為60 km/h；評(píng)估同等條件下，2.1 GHz 異頻組網(wǎng)與1.8 GHz同頻組網(wǎng)的性能差異。

3.3 疊加組網(wǎng)段覆蓋性能指標(biāo)對(duì)比分析

對(duì)同路段進(jìn)行不同頻段覆蓋性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 疊加組網(wǎng)覆蓋指標(biāo)對(duì)比

從表2可以看出：

a）RSRP：由于2.1 GHz 頻段相比1.8 GHz高，采用2.1 GHz單獨(dú)覆蓋或疊加覆蓋時(shí)，RSRP相比1.8 GHz單獨(dú)覆蓋時(shí)略差。

b）SINR：高鐵線城區(qū)段采用疊加2.1 GHz覆蓋后，SINR相比1.8 GHz單獨(dú)覆蓋時(shí)高7.3%；2.1 GHz疊加組網(wǎng)時(shí)，通過參數(shù)配置讓終端優(yōu)先使用2.1 GHz，因此疊加組網(wǎng)時(shí)的SINR與2.1 GHz單獨(dú)覆蓋時(shí)差異不大。

c）PDCP 層下行吞吐率：高鐵線城區(qū)段采用2.1 GHz疊加覆蓋后，PDCP層下行吞吐率相比1.8 GHz單獨(dú)覆蓋時(shí)高20.1%；2.1 GHz 疊加組網(wǎng)時(shí)，通過參數(shù)配置讓終端優(yōu)先使用2.1 GHz，因此疊加組網(wǎng)時(shí)的吞吐率與2.1 GHz單獨(dú)覆蓋時(shí)差異不大。

4 高鐵1.8與2.1 G H z疊加組網(wǎng)策略分析

根據(jù)1.8 與2.1 GHz 不同頻段覆蓋性能對(duì)比及疊加時(shí)的覆蓋性能對(duì)比結(jié)果，綜合考慮高鐵的專網(wǎng)用戶和周邊普通用戶2 個(gè)用戶群的體驗(yàn)感知，以及未來網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)后用戶的投訴量和網(wǎng)絡(luò)KPI 指標(biāo)，建議高鐵沿線郊區(qū)區(qū)域采用2.1 GHz 主覆蓋、城區(qū)段采用1.8 與2.1 GHz疊加組網(wǎng)的覆蓋方式。

4.1 高鐵疊加組網(wǎng)區(qū)域參數(shù)設(shè)置

如果高鐵和公網(wǎng)采用同頻組網(wǎng)方式，公網(wǎng)小區(qū)可能越區(qū)覆蓋到高鐵沿線形成針尖效應(yīng)。一方面，高鐵沿線的大網(wǎng)站點(diǎn)，需優(yōu)化收縮其覆蓋范圍，使信號(hào)覆蓋盡量不越過高鐵軌道，將大網(wǎng)和高鐵網(wǎng)絡(luò)的切換區(qū)設(shè)置在高鐵軌道外側(cè)，確保高鐵軌道上的鏈形小區(qū)分布；另一方面，則需要考慮公網(wǎng)的覆蓋調(diào)整工作量，并且高鐵小區(qū)既吸收高鐵用戶又吸收高鐵沿線的公網(wǎng)用戶。在FDD LTE大網(wǎng)覆蓋日趨完善的情況下，采用高鐵和公網(wǎng)同頻組網(wǎng)方式，較難實(shí)現(xiàn)高鐵和公網(wǎng)之間的兼顧。因此本節(jié)重點(diǎn)研究高鐵采用異頻疊加組網(wǎng)方式的參數(shù)設(shè)置方案。

4.1.1 方案思路

選取城區(qū)采用1.8與2.1 GHz疊加組網(wǎng)覆蓋方式的區(qū)域，如圖1 所示。紅色表示高鐵沿線城區(qū)段的疊加組網(wǎng)站點(diǎn)，均采用同一BBU 下掛6 個(gè)RRU（3 扇區(qū)需6個(gè)、2 扇區(qū)需4 個(gè)）的方式（由于BPL 板只能下掛3 個(gè)RRU，因此硬件模塊需增加1 塊FS 擴(kuò)展槽），1.8 與2.1 GHz均采用2T2R RRU方式共用同一副天線，即1個(gè)物理扇區(qū)下共有2個(gè)邏輯小區(qū)。

圖1 高鐵覆蓋疊加組網(wǎng)示意圖

4.1.2 高鐵城區(qū)段疊加組網(wǎng)區(qū)域參數(shù)配置

4.1.2.1 重選參數(shù)配置

重選參數(shù)具體配置原則如下。

a）全網(wǎng)頻間小區(qū)重選優(yōu)先級(jí)相同。

b）室外大網(wǎng)1.8 GHz 異頻重選參數(shù)中，同/低優(yōu)先級(jí)RSRP測(cè)量判決門限設(shè)為-90 dBm，乘客進(jìn)入候車廳室分容易重選到2.1 GHz上。

c）室分同/低優(yōu)先級(jí)RSRP 測(cè)量判決門限設(shè)為-110 dBm，候車廳中的用戶不容易重選到1.8 GHz的室外宏站上（主要考慮實(shí)際無線環(huán)境設(shè)置而定）。

d）在疊加組網(wǎng)區(qū)域?qū)?.8 與2.1 GHz 小區(qū)的異頻重選參數(shù)中同/低優(yōu)先級(jí)RSRP測(cè)量判決門限統(tǒng)一設(shè)置成-110 dBm，頻間頻率偏移值設(shè)置為10 dB，將2.1 GHz服務(wù)小區(qū)重選遲滯設(shè)置為1 dB，1.8 GHz服務(wù)小區(qū)重選遲滯設(shè)置為3 dB。

4.1.2.2 切換參數(shù)配置

切換參數(shù)配置原則如下。

a）采用A2/A3切換算法。

b）室外宏站1.8 GHz 與候車廳室分2.1 GHz 添加異頻雙向鄰區(qū)，1.8 GHz 的A2 事件判決的RSRP 門限為-95～-85 dBm，2.1 GHz 的A2 事件判決的RSRP 門限為-105～-95 dBm，使室外用戶進(jìn)入候車廳更容易切換到室分2.1 GHz 網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)增加室分2.1 GHz 的用戶發(fā)生A2事件的難度。

c）候車廳室分2.1 GHz 只添加疊加網(wǎng)絡(luò)的2.1 GHz 的同頻雙向鄰區(qū)，室分2.1 GHz 用戶A1 測(cè)量判決門限為-95～-75 dBm。

d）疊加區(qū)1.8和2.1 GHz的A2事件判決門限都調(diào)整為-110 dBm，同時(shí)調(diào)整A1事件為-105 dBm，使高鐵用戶難以發(fā)生異頻切換。

e）考慮到疊加網(wǎng)的普通用戶不易切入2.1 GHz專網(wǎng)上，高鐵沿線2.1 GHz 只添加1.8 GHz 單向鄰區(qū)及2.1 GHz同頻鄰區(qū)，1.8 GHz只配置同頻雙向鄰區(qū)。

f）將疊加組網(wǎng)區(qū)域2.1 GHz 小區(qū)的同頻切換參數(shù)中A3偏移設(shè)置為0.5 dB，判決遲滯設(shè)置為0.5 dB，事件發(fā)生到上報(bào)的時(shí)間差設(shè)置為100 ms；將疊加組網(wǎng)區(qū)域1.8 GHz小區(qū)的同頻切換參數(shù)中A3偏移設(shè)置為1.5 dB，判決遲滯設(shè)置為1.5 dB，事件發(fā)生到上報(bào)的時(shí)間差設(shè)置為160 ms。

4.1.2.3 返回帶參數(shù)配置

考慮到實(shí)際高鐵沿線無線環(huán)境，在局部區(qū)域2.1 GHz覆蓋并不連續(xù)，對(duì)于這一區(qū)域交疊區(qū)段，做如下配置。

a）2.1 GHz服務(wù)小區(qū)異頻重選參數(shù)中的同/低優(yōu)先級(jí)RSRP 測(cè)量判決門限設(shè)置為-110 dBm，1.8 GHz 服務(wù)小區(qū)異頻重選參數(shù)中的同/低優(yōu)先級(jí)RSRP測(cè)量判決門限設(shè)置為-85 dBm；2.1 GHz 小區(qū)異頻重選參數(shù)中頻間頻率偏移值設(shè)置為10 dB，1.8 GHz 小區(qū)異頻重選參數(shù)中頻間頻率偏移值設(shè)置為0 dB。

b）2.1 GHz 服務(wù)小區(qū)A2 門限設(shè)置為-110 dBm，1.8 GHz 服務(wù)小區(qū)A2 門限設(shè)置為-85 dBm，1.8 與2.1 GHz小區(qū)的A1門限統(tǒng)一設(shè)置為-75 dBm。

c）將疊加組網(wǎng)的2.1 GHz 小區(qū)的A3 偏移設(shè)置為0.5 dB，判決遲滯設(shè)置為0.5 dB，事件發(fā)生到上報(bào)的時(shí)間差設(shè)置為100 ms，將1.8 與2.1 GHz 的服務(wù)小區(qū)重選遲滯設(shè)置為1 dB。

d）返回帶鄰區(qū)添加規(guī)則：2.1 GHz 服務(wù)小區(qū)配置同頻鄰區(qū)，1.8 GHz 小區(qū)正常配置同頻鄰區(qū)與2.1 GHz異頻鄰區(qū)。

4.2 站間距規(guī)劃

LTE網(wǎng)絡(luò)的高鐵場(chǎng)景是一個(gè)用戶較為集中且切換較為頻繁的場(chǎng)景，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋以及站點(diǎn)的規(guī)劃要求也更為嚴(yán)格，合理的站間距規(guī)劃可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋和投資成本之間雙贏的局面。

4.2.1 未做超級(jí)小區(qū)的站間距規(guī)劃方案

如果高鐵沿線采用了普通宏站，除了考慮鏈路損耗的距離外還要考慮切換帶重疊覆蓋區(qū)的距離（見圖2）。

圖2 切換重疊覆蓋區(qū)示意圖

根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)的天饋發(fā)射功率和小區(qū)最小接入電平，由無線鏈路損耗公式可推導(dǎo)出每個(gè)小區(qū)的最大有效覆蓋距離。

式中：

Pr——接收功率（-122 dBm）

Pt——設(shè)備的發(fā)射功率（16 dBm）

Gta——發(fā)射天線的增益（18 dBi）

Ltl——發(fā)射端傳輸線路衰耗（12 dB）

Lrl——接收端傳輸線路衰耗（3 dB）

Lr——車廂穿透損耗（24dB）

Ltm——傳輸空間衰耗（Ltm=42.6+26lg d+20lg f）

La——高鐵場(chǎng)景預(yù)留余量（12.5 dB）

f——使用頻率（2 100 MHz）

d——通信距離（km）

根據(jù)中國電信要求的最小接入電平（-122 dBm），由式（1）可以推導(dǎo)出最大有效通信距離d 約為670 m，以現(xiàn)網(wǎng)的站高h(yuǎn)1平均約為40 m，結(jié)合上述的切換帶論證預(yù)留168～436 m 的重疊覆蓋距離，現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)離鐵軌的距離h2為0～500 m，如圖3所示。

圖3 基站與鐵軌垂直距離計(jì)算示意圖

根據(jù)圖3，可得出高鐵車速350 km/h情況下，基站與鐵軌不同垂直距離下的站間距，如表3所示。

表3 未做超級(jí)小區(qū)時(shí)的站間距規(guī)劃

4.2.2 超級(jí)小區(qū)內(nèi)的站間距規(guī)劃方案

當(dāng)采用了超級(jí)小區(qū)方案，在同一超級(jí)小區(qū)下的不同扇區(qū)采用的同PCI 在邏輯上為同一個(gè)小區(qū)，因此扇區(qū)間不用考慮切換的問題，此方案可以減少高速場(chǎng)景下用戶切換的頻率，提升網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。因此超級(jí)小區(qū)方案的基站站間距可在以上未做超級(jí)小區(qū)的站間距方案中將切換帶預(yù)留距離剔除，具體的方案如表4所示。

以上的論證結(jié)果表明，高鐵沿線基站在未做超級(jí)小區(qū)的情況下平均站間距為800～900 m，而且站與站之間需設(shè)置切換帶。在采用超級(jí)小區(qū)方案時(shí)，在同一超級(jí)小區(qū)內(nèi)的各點(diǎn)間距平均能達(dá)到1.1 km 左右，可以有效減少投入成本，同時(shí)可大幅減少各扇區(qū)間切換帶的設(shè)置問題，特別是在高速場(chǎng)景下能有效減少用戶頻繁切換，從而提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

表4 超級(jí)小區(qū)的站間距規(guī)劃

4.3 超級(jí)小區(qū)方案

高鐵、地鐵等特殊覆蓋場(chǎng)景，高速移動(dòng)的終端會(huì)導(dǎo)致大量的重選切換，采用超級(jí)小區(qū)可以延長(zhǎng)邏輯小區(qū)的覆蓋距離，從而減少頻繁切換，降低因切換帶來的速率下降及掉線等問題。

將高鐵沿線多個(gè)2.1 GHz 小區(qū)做成超級(jí)小區(qū)，能有效改善模三干擾和重疊覆蓋；但如果高鐵采用和大網(wǎng)同頻的1.8 GHz覆蓋，合并為超級(jí)小區(qū)后，因覆蓋區(qū)域增大，會(huì)大大增加與大網(wǎng)的PCI沖突，同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)容量等，進(jìn)而影響速率和感知，因此高鐵超級(jí)小區(qū)方案只針對(duì)高鐵異頻組網(wǎng)有效。

4.3.1方案原理

組建超級(jí)小區(qū)也可以不改變?cè)O(shè)備的連接方式，使傳統(tǒng)小區(qū)成為超級(jí)小區(qū)的一個(gè)組成部分，稱為CP（Cell Portion），如圖4 所示。同一個(gè)超級(jí)小區(qū)內(nèi)的CP共用相同的Cell ID及其相關(guān)的公共信道，從而在邏輯上擴(kuò)大了小區(qū)的覆蓋范圍。

圖4 超級(jí)小區(qū)組網(wǎng)示意圖

超級(jí)小區(qū)的實(shí)現(xiàn)方式為修改基帶資源的CPID，將需要組建超級(jí)小區(qū)的CPID從0依次向后排序，再在小區(qū)配置里引用以上修改的CPID 即可。超級(jí)小區(qū)的基本小區(qū)配置信息如PCI、TAC、Cell ID 等繼承的是設(shè)為主CP的那個(gè)小區(qū)的配置信息，小區(qū)合并之后相關(guān)的鄰區(qū)信息也需重新配置。

4.3.2 超級(jí)小區(qū)方案對(duì)比結(jié)果

本次主要驗(yàn)證城區(qū)高鐵疊加段專網(wǎng)組建超級(jí)小區(qū)后，高鐵城區(qū)段不同頻段覆蓋場(chǎng)景下的RSRP、SINR、下行速率等指標(biāo)的變化情況。測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 超級(jí)小區(qū)方案覆蓋指標(biāo)對(duì)比

可以看出：

a）RSRP：由于頻段原因，高鐵沿線1.8 GHz 覆蓋時(shí)RSRP最好，總體RSRP差異不大。

b）SINR：疊加組網(wǎng)2.1 GHz 配置超級(jí)小區(qū)后，SINR 相比未配置超級(jí)小區(qū)時(shí)提升3.4%，相比1.8 GHz單獨(dú)覆蓋時(shí)提升10.9%。

c）PDCP層下行吞吐率：疊加組網(wǎng)2.1 GHz配置超級(jí)小區(qū)后，PDCP 層下行吞吐率相比未配置超級(jí)小區(qū)時(shí)提升4.4%，相比1.8 GHz單獨(dú)覆蓋時(shí)提升25.3%。

5 總結(jié)

根據(jù)1.8 與2.1 GHz 不同頻段覆蓋以及疊加組網(wǎng)時(shí)的覆蓋性能對(duì)比結(jié)果，可以看出：

a）2.1 GHz（15 MHz）比1.8 GHz（15 MHz）頻段覆蓋時(shí)SINR和下行速率分別提升22%和28%。

b）城區(qū)疊加2.1 GHz覆蓋時(shí)的SINR均值和PDCP層的下行速率比單1.8 GHz覆蓋時(shí)高出7.3%和20.1%。

建議高鐵沿線郊區(qū)包括隧道等部分采用2.1 GHz主覆蓋；高鐵城區(qū)段采用1.8與2.1 GHz 疊加組網(wǎng)的覆蓋方式。在疊加組網(wǎng)方式下，需針對(duì)疊加組網(wǎng)區(qū)域的參數(shù)（包括重選、切換等）進(jìn)行專門設(shè)置，以及郊區(qū)段專網(wǎng)覆蓋不連續(xù)時(shí)需考慮返回帶設(shè)置保證與大網(wǎng)的順利回落。同時(shí)在高鐵場(chǎng)景中，由于列車移動(dòng)速度快，高鐵用戶的頻繁切換會(huì)對(duì)下行速率等造成嚴(yán)重影響，建議在2.1 GHz 專網(wǎng)組建超級(jí)小區(qū)，不僅可減少高鐵用戶頻繁切換，而且由于縮減了小區(qū)間切換帶，還可以增加高鐵沿線站點(diǎn)的站間距。從實(shí)際測(cè)評(píng)結(jié)果看出，疊加區(qū)域2.1 GHz專網(wǎng)組建超級(jí)小區(qū)后SINR均值及下行速率均有所提升，相比1.8 GHz單頻覆蓋分別高出11%和25%，效果顯著。且在組建超級(jí)小區(qū)后，還可以通過參數(shù)優(yōu)化手段如專用TAC 區(qū)、開環(huán)功率參數(shù)Pa/Pb 等方案進(jìn)一步提升高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)。

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